降水入渗补给地下水系统分析

《降水入渗补给地下水系统分析》通过对郑州地中渗透仪观测资料的统计分析、系统响应分析、回归分析和土壤水运移模拟，总结了降水入渗的补给过程、补给模式、动态变化规律和影响因素，探讨了降水人渗补给和影响因素之间的相互作用过程以及降水入渗补给的滞后延迟效应；针对水资源评价中利用降水入渗系数（常数1计算降水人渗补给量的弊端，首次提出了降水入渗补给函数的概念，通过系统响应分析和回归分析，建立了不同水位埋深、不同岩性、不同降水特征、不同时间尺度等变化要素的降水入渗补给函数，用该函数计算的降水人渗量比较符合实际。通过对降水人渗过程的系统分析和模拟，分离了降水入渗补给量中活塞流和优先流的比例；为准确计算降水对地下水的人渗补给量、包气带中的优先补给问题提出了分析方法和途径。

降水是地下水的主要补给来源。受降水、蒸发、包气带岩性、地下水位埋深等多种因素的影响，降水入渗过程异常复杂。为了研究水资源之间的转化关系，从20世纪80年代初期开始，我国许多部门在不同地区建立了地下水均衡试验场，积累了大量的气象、地下水人渗及蒸发、土壤含水量等资料。但由于经费问题等原因，大多均衡试验场的资料都没有被系统整理分析，对降水入渗过程和影响因素缺乏系统深入的研究。

在对河南省郑州地下水均衡试验场地中渗透仪试验资料进行分析整理的基础上，采用统计分析、系统响应分析、回归分析、土壤水运移模拟等多种方法，系统地研究了降水入渗补给和影响因素之间的相互作用过程、降水的入渗补给滞后延迟效应；建立了不同水位埋深、不同岩性、不同降水过程、不同时间尺度等变化要素的降水入渗补给函数；通过对降水入渗过程的模拟，分离了降水入渗补给中的活塞流和优先流比例。通过以上研究形成了本书的主要内容。

对郑州地下水均衡场内7种岩性地中渗透仪降水入渗补给过程的系统分析认为，各种岩性均存在活塞式和捷径式两种降水入渗补给模式。砂性土中入渗模式以活塞式为主，但是降水后，浅部（1m埋深以内）立即构成对地下水的入渗。砂性土入渗主要特征是地下水位埋藏较浅时，降水后入渗补给量迅速增大，然后迅速衰减。随着地下水位埋深增大，入渗过程线逐渐变缓，入渗补给流量变小。由于粘性土中普遍存在裂隙或大孔隙，其入渗补给以优先流为主，滞后和延迟的时间大大缩短，即使地下水位埋深达7m，在降水量较大时，滞后期也小于3d。在枯水期，降水强度小且不连续时，几乎不形成优先流补给，但在该阶段滞留于土壤中的水分在重力作用下缓慢下移，以活塞式入渗方式补给地下水。 2100433B

前言

第一章　绪言

第一节　研究的目的和意义

第二节　国内外研究现状

一、降水入渗补给量评价方法

二、降水入渗补给量与其影响因素之间的关系研究

三、降水入渗过程模拟研究

四、降水入渗过程的土壤水分运移研究

五、降水入渗过程中的优先流研究

第二章　均衡试验场概况

第一节　自然地理概况

第二节　试验场设计

一、试验场布置

二、试验装置

三、试验原理和观测方法

四、试验成果和资料分析与选取

第三章　 降水入渗补给过程

第一节　降水入渗补给的概念

第二节　降水入渗补给模式

一、降水入渗的一般过程

二、活塞式入渗模式

三、优先流入渗模式

第三节　降水入渗补给过程及规律

一、降水入渗补给的滞后和延迟

二、降水入渗补给过程中的优先流

第四节　小结

第四章　 降水入渗补给函数

第一节　降水入渗补给量的影响因素

一、降水入渗补给量与降水特征的关系

二、降水入渗补给量与地下水位埋深的关系

三、降水入渗补给量与岩性的关系

第二节　降水-入渗补给系统响应模型

一、降水-入渗补给系统响应分析原理

二、降水-入渗补给系统响应模型

第三节　降水-入渗补给回归分析

一、影响因素选择

二、建模方法及过程

三、降水一入渗补给回归模型

第四节　小结

第五章　 降水入渗过程数值模拟

第一节　数学模型

第二节　数值解法

一、空间离散

二、时间离散

三、边界条件

四、HYDRuS软件简介

第三节　降水入渗过程数值模拟

一、数值模拟方案

二、数值模拟过程

三、开封粉细砂中降水入渗过程模拟

四、新乡轻亚砂土中降水入渗过程模拟

五、驻马店亚粘土中降水入渗过程模拟

第四节　小结

第六章　结论

参考文献

降水入渗补给系数是地下水量与降水量的比值。

中文名称

降水入渗补给系数

英文名称

feed coefficient of precipitation infiltration

定　　义

由降水入渗补给的地下水量与降水量的比值。

应用学科

水利科技（一级学科），水文、水资源（二级学科），水资源（水利）（三级学科）

大气降水是指从大气中呈液态或固态降落的水，主要为降雨和降雪，还有露、霜、雹等其他形式。落到地面的大气降水，归结起来有四个去向：转化为地表径流，蒸散发返回大气圈，入渗补足包气带水分亏缺形成土壤水，继续下渗形成地下径流。

地下水补注大气降水入渗过程

大气降水到达地表，如果降水强度小于土壤下渗能力，初始时段降水将全部渗入地下，不会产生地面径流；如果降水强度大于土壤下渗能力，则一部分降水形成地面径流，其余部分渗入地下。渗入地下的降水，先经过渗润阶段，即下渗水分主要在分子力的作用下，被土壤颗粒吸附形成薄膜水。当土壤初始含水量很小时，这一阶段非常明显；当土壤初始含水量大于田间持水量时，这一阶段不明显。此后水分继续向下入渗，经历渗漏阶段，即下渗水分主要受毛管力、重力作用，在土壤孔隙中向下作非稳定流动，并逐步充填土壤孔隙，直到全部孔隙为水充满而饱和。通常也把以上两个阶段统称为渗漏阶段。最后进入渗透阶段，即土壤孔隙被水分充满而饱和时，水分在重力作用下呈稳定流动，到达地下水面，补给地下水。总之，在此种下渗模式下，大气降水一般应首先补足包气带水分亏缺（捷径式下渗并非如此），多余的水分才能继续下渗补给地下水。

地下水补注影响大气降水补给地下水的因素

影响大气降水补给地下水的因素较为复杂，主要有：雨前土壤含水量、包气带岩性、地下水埋深、降水量、降水强度和持续时间、植被以及地形等。

雨前土壤含水量较小，干燥土将吸收大量渗入地表的降水，少量降水只能形成薄膜水而不能形成重力水，因而无法补给地下水；若雨前土壤含水量较大，并接近田问持水量，则渗入的降水几乎不再被土壤吸收而直接形成重力水，因而即便只有少量降水也会对地下水产生补给。此外，在次降水量相等的情况下，同一地区雨前土壤含水量较大时所引起的潜水位升幅明显大于雨前土壤含水量较小时所引起的潜水位升幅，且次降水量愈大，这种差别愈显著。

包气带岩性对降水入渗补给的影响主要反映在土壤的颗粒组成上。一般情况下，土壤粒径愈粗，其持水性愈小，透水性愈强，对入渗愈有利。砂性土透水性强，入渗速度大，田间持水能力低，蓄水能力小，包气带水分亏缺量小，在其他条件相同时，砂性土地区比黏性土地区降水入渗补给量要大。

地下水埋深的大小，直接决定地下水位以上包气带的蓄水能力，一般说来，包气带愈厚，意味着消耗于包气带的水量愈多。在降水相同时，入渗补给地下水的有效雨量将随地下水埋深的增大而减少，但这并不意味着地下水埋藏很浅时，地下水得到的降水补给量就多，事实上，此种情况得到的补给反而很少。因为这时土壤表层已处于毛细水饱和带范围内，降水无法或很少下渗，它的全部或大部分将成为地表径流流走。当地下水埋深增大后，包气带的蓄水能力才有所增大。因此，在地表以下一定深度范围内，降水入渗补给量随地下水埋深的增大而增加，超过一定深度，则随地下水埋深的增大而减小。

降水量的大小对地下水补给量大小起控制作用，一般随降水量增加，地下水得到的补给量将增加。短期的小雨小雪在入渗过程中主要润湿浅部的包气带，雨停后又很快耗失于蒸发，对地下水的补给作用很小。急骤的暴雨水量过于集中，使得包气带来不及吸收，尤其是在地形坡度大的地方，大部分降水以地表径流的方式流走，最终补给地下水的水量甚小。只有长时间连续的绵绵细雨最有利于地下水的补给。

森林、草地可阻滞降水转化为地表径流，防止水土流失；植物形成的有机质，有利于保护土层结构免受降水淋蚀。植物的根系还可增加表土的透水性，这些均有利于降水补给。但是浓密的植被，尤其是农作物，以蒸腾方式强烈消耗包气带水，造成大量水分亏缺。尤其在气候干旱的地区，农作物复种指数的提高，会使降水补给地下水的份额明显降低。

地形的陡缓明显影响着降水对地下水的补给：地形陡峻的山区，降水到达地表后不易蓄积而很快地沿地表流走，因而不利于对地下水的补给；平坦尤其是地形低洼处，有利于地下水接受补给。我国西北的黄土高原，由于地形陡，且缺乏植被覆盖，常常容易造成水土流失，不利于降水对地下水的补给。

应当注意，影响降水入渗补给地下水的因素是相互制约、互为条件的整体，不能孤立地割裂开来加以分析。例如，强烈岩溶化地区，即使地形陡峻，地下水位埋深达数百米，由于包气带渗透性极强，连续集中的暴雨也可以全部吸收，有时吸收量可达降水量的70%～90%。又如，地下水位埋深较大的平原、盆地，经过长期干旱后，一般强度的降水不足以补偿其包气带的水分亏缺，这时，集中的暴雨反而可成为地下水的有效补给来源。